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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Las leyes del movimiento planetario. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. Los planetas, debido a sus movimientos exteriormente complejos, jugaron un papel decisivo en la astronomía y en general en la construcción de las bases de la mecánica y la física. Incluso los antiguos astrónomos griegos plantearon la cuestión de si los complejos movimientos observados en el cielo son solo un reflejo de los movimientos más regulares de los planetas en el espacio. A partir de este momento comienza la construcción teórica de los esquemas del sistema planetario, o, como dijimos más arriba, la cinemática de los movimientos planetarios en el espacio. Uno de los primeros copernicanos, el matemático y astrónomo alemán Erasmus Reingold (1511-1553) compilado en 1551, basado en el sistema heliocéntrico copérnico, tablas del movimiento de los planetas, a las que llamó "Tablas Prusianas". Estas tablas resultaron ser más precisas que todas las anteriores basadas en esquemas antiguos, y esto contribuyó en gran medida al fortalecimiento de la idea del heliocentrismo, que a duras penas se abre paso a través de las visiones que se han establecido durante siglos y familiar a aquellos tiempos, así como la superación de la presión ideológica reaccionaria de la iglesia. Sin embargo, los astrónomos pronto descubrieron una discrepancia entre estas tablas y los datos de observación sobre el movimiento de los cuerpos celestes. Para los científicos avanzados, estaba claro que las enseñanzas de Copérnico eran correctas, pero era necesario investigar más profundamente y descubrir las leyes del movimiento planetario. Este problema fue resuelto por el gran científico alemán Kepler. Johannes Kepler (1571-1630) nació en la pequeña ciudad de Vejle, cerca de Stuttgart. Kepler nació en una familia pobre y, por lo tanto, con gran dificultad, logró terminar la escuela e ingresar a la Universidad de Tübingen en 1589. Aquí estudió con entusiasmo matemáticas y astronomía. Su maestro, el profesor Mestlin, era en secreto un seguidor de Copérnico. Por supuesto, en la universidad, Mestlin enseñó astronomía según Ptolomeo, pero en casa presentó a su alumno los conceptos básicos de la nueva enseñanza. Y pronto Kepler se convirtió en un ardiente y acérrimo partidario de la teoría copernicana. A diferencia de Maestlin, Kepler no ocultó sus opiniones y creencias. La propaganda abierta de las enseñanzas de Copérnico muy pronto le trajo el odio de los teólogos locales. Incluso antes de graduarse de la universidad, en 1594, enviaron a Johann a enseñar matemáticas en una escuela protestante en la ciudad de Graz, la capital de la provincia austriaca de Estiria. Ya en 1596, publicó El secreto cosmográfico, donde, aceptando la conclusión de Copérnico sobre la posición central del Sol en el sistema planetario, trata de encontrar una conexión entre las distancias de las órbitas planetarias y los radios de las esferas, en las que regulares Los poliedros se inscriben en un orden determinado y alrededor de los cuales se describen. A pesar de que esta obra de Kepler seguía siendo un modelo de sofisticación escolástica, casi científica, dio fama al autor. El famoso astrónomo y observador danés Tycho Brahe (1546-1601), que se mostró escéptico sobre el esquema en sí, rindió homenaje al pensamiento independiente, el conocimiento de la astronomía, la habilidad y la perseverancia en los cálculos del joven científico y expresó su deseo de conocerlo. La reunión que tuvo lugar más tarde fue de una importancia excepcional para el desarrollo ulterior de la astronomía. En 1600, Brahe, que llegó a Praga, le ofreció a Johann un trabajo como su asistente para las observaciones del cielo y los cálculos astronómicos. Poco antes, Brahe se vio obligado a abandonar su tierra natal, Dinamarca, y el observatorio que construyó allí, donde realizó observaciones astronómicas durante un cuarto de siglo. Este observatorio estaba equipado con los mejores instrumentos de medición, y el mismo Brahe era un observador muy hábil. El científico estaba muy interesado en las enseñanzas de Copérnico, pero no era partidario. Presentó su propia explicación de la estructura del mundo: reconoció a los planetas como satélites del Sol, y consideró al Sol, la Luna y las estrellas como cuerpos que giran alrededor de la Tierra, detrás de los cuales, por lo tanto, la posición del centro de todo el Universo fue preservado. Brahe no trabajó con Kepler por mucho tiempo: murió en 1601. Después de su muerte, Kepler comenzó a estudiar los materiales restantes con datos de observaciones astronómicas a largo plazo. Trabajando con ellos, especialmente con materiales sobre el movimiento de Marte, Kepler hizo un descubrimiento notable: derivó las leyes del movimiento planetario, que se convirtieron en la base de la astronomía teórica. El punto de partida de Kepler fue una comparación de la teoría y la observación. El hecho es que a fines del siglo XVI, las tablas prusianas compiladas, como se mencionó anteriormente, comenzaron a predecir el movimiento de los planetas de manera muy imprecisa. Las posiciones de los planetas observadas y calculadas a partir de estas tablas diferían en 4 a 5 grados. , lo cual era inaceptable en la práctica astronómica. De esto se siguió que la teoría planetaria de Copérnico necesitaba ser corregida y complementada. Al principio, Kepler tomó el camino de refinar y complicar el esquema copernicano. Por supuesto, estaba profundamente convencido de la verdad del principio del heliocentrismo y comenzó a seleccionar nuevas combinaciones de círculos (epiciclos, excéntricos). Se las arregló para recoger, al final, tal combinación que su esquema dio un error en comparación con las observaciones de hasta 8 minutos. Pero Kepler estaba seguro de que Tycho Brahe no podía cometer tales errores en sus observaciones. Por lo tanto, Kepler concluyó que la teoría era "culpable" porque no concordaba con la práctica astronómica. Abandonó por completo el esquema basado en epiciclos y excéntricos, y comenzó a buscar otros esquemas. Kepler llegó a la conclusión sobre la incorrección de la opinión establecida desde la antigüedad sobre la forma circular de las órbitas planetarias. Mediante cálculos, demostró que los planetas no se mueven en círculos, sino en elipses, curvas cerradas, cuya forma es algo diferente de un círculo. Al resolver este problema, Kepler tuvo que enfrentarse a un caso que, en términos generales, no podía resolverse mediante los métodos de las matemáticas de constantes. El asunto se redujo a calcular el área del sector del círculo excéntrico. Si este problema se traduce al lenguaje matemático moderno, llegaremos a una integral elíptica. Kepler, por supuesto, no pudo dar una solución al problema en cuadraturas, pero no retrocedió ante las dificultades que surgieron y resolvió el problema sumando un número infinitamente grande de infinitesimales "actualizados". Este enfoque para resolver un problema práctico importante y complejo representó en los tiempos modernos el primer paso en la prehistoria del análisis matemático. La primera ley de Kepler sugiere que el Sol no está en el centro de la elipse, sino en un punto especial llamado foco. De esto se deduce que la distancia del planeta al Sol no siempre es la misma. Dado que la elipse es una figura plana, la primera ley implica que cada planeta se mueve mientras permanece en el mismo plano todo el tiempo. La segunda ley suena así: el radio vector del planeta (es decir, el segmento que conecta el Sol y el planeta) describe áreas iguales en intervalos de tiempo iguales. Esta ley a menudo se llama la ley de las áreas. La segunda ley indica, en primer lugar, el cambio en la velocidad del planeta en su órbita: cuanto más se acerca el planeta al Sol, más rápido se mueve. Pero esta ley en realidad da más. Determina completamente el movimiento del planeta en su órbita elíptica. Ambas leyes de Kepler se han convertido en propiedad de la ciencia desde 1609, cuando se publicó su famosa "Nueva astronomía", una presentación de los fundamentos de la nueva mecánica celeste. Sin embargo, el lanzamiento de este notable trabajo no atrajo de inmediato la debida atención: incluso el gran GalileoAl parecer, hasta el final de sus días no aceptó las leyes de Kepler. Kepler sintió intuitivamente que hay patrones que conectan todo el sistema planetario como un todo. Y ha estado buscando estos patrones en los diez años que han pasado desde la publicación de la Nueva Astronomía. La fantasía más rica y el gran celo condujeron a Kepler a su llamada tercera ley, que, como las dos primeras, juega un papel crucial en la astronomía. Kepler publica "Armonía del Mundo", donde formula la tercera ley de los movimientos planetarios. El científico estableció una relación estricta entre el tiempo de revolución de los planetas y su distancia al Sol. Resultó que los cuadrados de los períodos de revolución de dos planetas cualesquiera alrededor del sol están relacionados entre sí como los cubos de sus distancias medias al sol. Esta es la tercera ley de Kepler. "La tercera ley de Kepler juega un papel clave en la determinación de las masas de los planetas y satélites", escriben E. A. Grebennikov y Yu. A. Ryabov en su libro. "De hecho, los períodos de revolución de los planetas alrededor del Sol y sus distancias heliocéntricas se determinan utilizando métodos especiales de procesamiento matemático observaciones, y las masas de los planetas no se pueden obtener directamente de las observaciones. No tenemos escalas cósmicas grandiosas a nuestra disposición, en un tazón de las cuales pondríamos el Sol, y en los otros planetas. La tercera ley de Kepler. compensa la ausencia de tales escalas cósmicas, ya que con su ayuda podemos determinar fácilmente las masas de los cuerpos celestes que forman un solo sistema. Las leyes de Kepler también son notables porque son, por así decirlo, más precisas que la realidad misma. Representan las leyes matemáticas exactas del movimiento de un "sistema solar" idealizado en el que los planetas son puntos materiales de masa infinitamente pequeña en comparación con el "Sol". En realidad, los planetas tienen una masa apreciable, por lo que en su movimiento real hay desviaciones de las leyes de Kepler. Esta situación se da en el caso de muchas leyes físicas actualmente conocidas. Hoy podemos decir que las leyes de Kepler describen con precisión el movimiento del planeta en el marco del problema de los dos cuerpos, y nuestro sistema solar es un sistema multiplanetario, por lo que estas leyes son solo aproximadas. También es paradójico que sea para Marte, cuyas observaciones llevaron a su descubrimiento, que las leyes de Kepler sean menos precisas. El trabajo de Kepler sobre la creación de la mecánica celeste jugó un papel importante en la aprobación y desarrollo de las enseñanzas de Copérnico. Preparó el terreno para investigaciones posteriores, en particular para el descubrimiento newton la ley de la gravitación universal. Las leyes de Kepler aún conservan su significado: habiendo aprendido a tener en cuenta la interacción de los cuerpos celestes, los científicos las utilizan no solo para calcular los movimientos de los cuerpos celestes naturales, sino, lo que es más importante, también los artificiales, como las naves espaciales, testigos de la aparición. y superación de lo que es nuestra generación. Autor: Samin D.K.
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